[论文解读] Fourth Generation Lepton Sectors with Stable Majorana Neutrinos: From LEP to LHC

Linda M. Carpenter|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了一个具有稳定马约拉纳中微子的第四代轻子扇区，重新分析了来自Z玻色子不可见宽度的LEP约束，并提出了一种在四轻子加缺失能量末态下的新型LHC搜索策略。研究发现，由于混合诱导的Z衰变抑制，最轻马约拉纳中微子质量的下限可放宽至33.5 GeV；在30 fb⁻¹的13 TeV LHC数据下，该研究预测可排除质量平面上N₁的100–180 GeV和N₂的150–250 GeV范围。

ABSTRACT

I analyze a fourth generation lepton sector in which the lightest particle is a stable Majorana neutrino. In this scenario fourth generation neutrinos have both a Dirac and Majorana mass, resulting in two Majorana neutrino mass eigenstates. A reanalysis of LEP's lower mass bound is performed on stable Majorana neutrinos from the Z width and the lower mass bound is loosened. I also extrapolate LEP's SUSY squark search with a 2 jet plus missing missing energy final state to the production and decay of a pair of heavy Majorana neutrinos; here it is expected that significant regions of the neutrino mass plane may be ruled out. Finally, a search strategy is proposed for heavy fourth generation neutrino pairs at LHC in the four lepton plus missing energy channel. Exclusions are set in the neutrino mass plane for 30 inverse fb of data at LHC for 13 TeV.

研究动机与目标

• 利用更新的Z玻色子不可见宽度约束，重新评估第四代轻子扇区中稳定马约拉纳中微子的质量下限。
• 探讨LEP的SUSY标量夸克搜索（2-jet + 缺失能量通道）在约束重马约拉纳中微子对方面的可行性。
• 提出一种在LHC中四轻子加缺失能量末态下的新型搜索策略，以探测重马约拉纳中微子对的质量平面。
• 量化LHC在真实实验截断条件和背景估计下对第四代中微子对的探测灵敏度。

提出的方法

• 重新计算了稳定马约拉纳中微子在Z玻色子不可见宽度上的约束，考虑了通过中微子混合角引起的Z耦合抑制效应。
• 将LEP的2-jet + 缺失能量SUSY标量夸克搜索方法适配用于约束重马约拉纳中微子对的产生与衰变。
• 提出了使用MADGRAPH生成信号、BRIDGE模拟衰变、PYTHIA进行喷注辐射的LHC中4ℓ + Eₜ̸末态灵敏度分析。
• 应用了运动学截断：4个孤立轻子，最高效应的轻子pT > 15 GeV，其余轻子pT > 5 GeV，Eₜ̸ > 50 GeV，且禁止喷注（N_jet < 2）。
• 在N₁–N₂质量平面上估算信号接受度与产生截面，背景估计基于ZZ和γZ过程。
• 使用观测到的信号效率与背景抑制能力，在95%置信水平下生成排除极限，尤其得益于高Eₜ̸截断的显著效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 第四代中微子中同时存在狄拉克质量和马约拉纳质量时，如何影响Z玻色子的不可见宽度，从而影响最轻马约拉纳中微子质量的下限？
• RQ2 LEP的2-jet + 缺失能量SUSY标量夸克搜索在多大程度上可被重新用于约束第四代中重马约拉纳中微子对？
• RQ3 LHC中的四轻子加缺失能量末态是否能提供一个可行且背景受抑制的通道，用于发现重马约拉纳中微子对？
• RQ4 在30 fb⁻¹的13 TeV LHC数据下，使用所提出的4ℓ + Eₜ̸搜索策略，N₁和N₂的质量范围在95%置信水平下可被排除到多大？

主要发现

• 当考虑由中微子混合角引起的Z耦合抑制效应时，由于存在两个马约拉纳中微子质量本征态，最轻马约拉纳中微子质量的下限从39.5 GeV放宽至33.5 GeV。
• LEP的2-jet + 缺失能量末态可用于约束N₁–N₂质量平面，尤其在较重中微子N₂为壳上产生时效果更佳。
• 四轻子加缺失能量末态具有极低的背景水平，在ZZ和γZ模拟中未发现任何事例，使其成为信号探测的理想选择。
• 在30 fb⁻¹的13 TeV LHC数据下，所提出的搜索策略可在95%置信水平下排除N₁质量范围100–180 GeV和N₂质量范围150–250 GeV。
• 当N₂质量远重于N₁时，信号效率达到峰值，随着N₂质量接近阈值，由于末态轻子能量变软，效率逐渐下降。
• 本研究强调了当最轻中微子稳定时，探测第四代带电轻子的挑战，因为W + N₁末态被QCD和W+jets背景所淹没。